蒸汽头板焊接变形分析与反变形控制

摘要：简介了蒸发器和表面冷凝器的蒸汽头板焊接时焊接变形过大及产生焊接应力的原因，并相应制订了反变形的工艺措施。

关键词：焊接应力分析；收缩弯曲变形；蒸发器；蒸汽头板；反变形工艺措施

Abstract: this paper introduced the reasons of the welding deformation and production of welding stress when welding evaporator surface condenser and steam header plate, and accordingly developed the anti-deformation process measures.Key words: welding stress analysis; shrinkage deformation; evaporator; steam head board; anti-deformation process measures

中图分类号：TG441.4文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

一、工作概况

乌拉圭项目设备（蒸发器2效～7效、表面冷凝器）中，其内件部分蒸汽头板的加工制造是重点也是难点之一。其材质均为ASME SA240M 304，主体板材厚度为16mm，筋板厚度为16mm。在焊接方面虽然采用了CO2不锈钢药芯焊丝焊接，并采用小电流、慢速焊接，焊接角焊缝高度为5mm的焊接工艺，但是由于焊接量较大，仍出现了大小不一的焊接变形。每个零部件即主体板与筋板的焊接都会引起局部的焊接变形，若不进行有效控制将会对蒸汽头的整体组装造成不利影响。现介绍蒸汽头板的施焊工艺措施、焊接注意事项和反变形控制。

二、焊接变形的分析与控制

1、焊接应力与焊接变形的分析

在焊接过程中膨胀与收缩作用于焊接金属与基材上，焊缝与因局部被加热而形成很大的温度阶梯，冷却时焊接金属试图正常收缩至室温时的体积。但是熔化的焊接金属因基材而受到约束，焊缝金属与基材之间就会产生应力集中。焊缝附近区域因此产生应力集中而伸展或弯曲或变薄，这些超过焊缝金属的屈服应力的集中释放就形成了永久的变形。当焊接温度接近室温，整个基材受到约束而无法变形，金属的伸缩应力就接近屈服应力。如果约束（夹具固定标志或反收缩力）取消，残余应力释放基材将发生迁移，焊接工件将产生变形。金属内部结构因焊接不均匀的加热和冷却产生的内应力叫做焊接应力，由焊接应力造成的变形叫做焊接变形。

焊接残余应力和应变不仅影响到焊接结构尺寸的精度和外形美观度，而且还有可能降低焊接结构的承载能力从而影响其使用性能和使用寿命。焊接变形与残余应力同时残存于焊接结构中，焊接残余变形会造成构件形状和尺寸的变化，如纵向、横向收缩使构件尺寸变短，若超出尺寸公差允许的范围，会使构件报废。

不锈钢设备及构件施工最大的难点就是焊接变形的控制。所以在施工过程中，焊接的规范性就显得更为重要。

2、焊接注意应注意的事项：

2.1焊件坡口的加工（30°+15°坡口的加工采用两种方式）

采用等离子切割+铣边机方式，即先用等离子切割机（半自动）切割好30°坡口，然后上到铣边机进行坡口和板面铣平工作。

2.2焊前准备、焊接参数选用及焊接检查

1）焊前准备，除去坡口表面的氧化皮、熔渣及影响接头质量表面的表面层，并应将凹凸不平处打磨平整；必须保持清除可能使焊缝金属增碳的各种污染；

2）不锈钢焊件坡口两侧各100mm范围内，在施焊前采取防止焊接飞溅物沾污焊件表面的措施，如刷保护油、石灰膏等；

3）严禁在坡口之外的母材表面引弧和试验电流，并应防止电弧擦伤母材。

4)不锈钢药芯焊丝直流焊接时应采用反极性；保护气体为CO2，其气体流量以20～25L/min较适宜；焊件与焊嘴的距离以15～20mm为宜；

5）采用了低热输入的焊接工艺，熔敷率高，焊接速度高；

6）焊接时，层间需清除熔渣和两侧的飞溅物；焊缝表面不得有裂纹、肉眼可见的表面气孔、夹渣、焊瘤等。焊接高度严格按照图纸要求，表面焊缝与母材应圆滑过渡，焊缝应整齐、平滑呈均匀的波纹状。

7）施焊前的焊接工艺评定，应按SAME相关标准执行: 施焊中，应该选择合适的焊接参数，如表1所示；在焊接过程中，必须使焊件保持较低的层间温度，一般不超过60℃。

表1焊接参数

三、蒸汽头板焊接变形的控制

在发生焊接残余变形后，如果进行矫正则相当困难，有时甚至是不可能的。因此，从焊接结构的设计开始，就应考虑预防变形的产生，进入焊接生产阶段，也应主动采取工艺措施来控制焊接变形，从而保证产品的生产质量和生产效率的提高。控制不锈钢的焊接变形有很多措施，如采用小线能量焊接、合理的安排焊接顺序、利用反变形的原理等。下面结合生产实践，介绍一下这些措施在该项目蒸汽头施工中的具体应用。

对于蒸汽头板焊接中收缩变形是最重要的因素。（1）纵向收缩变形：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短；（2）横向收缩变形：沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。我们在制造的过程中更多的是指定相关的工艺措施如：

a.留余量法留余量法是在下料时，考虑到收缩变形而将下料零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。余量的多少可根据经验公式估算或根据生产经验确定，一般焊缝的纵向收缩量按焊缝的长度来计算。

蒸汽头板应用举例计算：

例蒸汽头图纸要求其主板规格为3000*1200*16mm，筋板规格为1100*150*16，共10块。其焊接要求双面角焊缝，连续焊接且焊角高度不小于5mm。

根据经验理论公式计算：

Y=0.001X2-0.0359X+0.5077

其中：Y―横向收缩量近似值，mm

X―板材厚度，mm

则：Y=0.001*162-0.0359*16+0.5077 ≈0.2mm

即在主板上每焊接一块筋板引起主板的横向收缩量约为0.2mm，那么在焊接多块筋板之后引起的横向收缩量就应该为累加量，即0.2*n（其中n代表筋板数量）

对于本例计算中在焊接10块筋板后引起主板总的横向收缩量近似值为0.2*10≈2mm。所以在下料划线时就应该预先有2mm的预留量。

另外在主板的宽度划线过程中，也留有2mm的预留量以便铣边机有更多空间操作，保证构件的在误差范围之内。所以例题主体板材下料的规格应为：3002*1202*16mm。

b.反变形法反变形法是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形(反变形量与焊接变形量相等)，焊后，焊接残余变形抵消了预变形量，使构件回复到设计要求的几何型面和尺寸，从而达到抵消焊接变形的目的。在进行蒸汽头加工制造时，据图纸要求蒸汽头板材与筋板板材均为16mm，焊角高度为5mm。

准确选择合适的胎具是焊接反变形工艺的一个重要措施，弧度的偏大或偏小都将直接影响焊接后的板材平整度。当正面焊缝全部焊完后，随着焊缝不断的冷却与收缩，角度变形逐渐加大，一般情况下10～18mm板材的角度α会增加到3°～4°。每个筋板的焊接都会引起基板的角度一定的变形，而据图纸要求每个蒸汽头板会有若干个筋板，焊接引起变形的角度将会很大。若不采取措施，不仅增加矫正焊接残余变形难度，同时也造成组合尺寸的相对偏差较大以及外观的不美观。

考虑的这种情况，我们在制作的过程中采取了反变形的方法，即利用自制反变形胎具的方法，将蒸汽头板用夹具固定在胎具上，胎具形状正好与焊接变形的方向相反，同时采用焊接顺序不同的方法。为了保证焊接的规范性在焊接的过程中需注意：

1）与碳钢焊接模之间必须有不锈钢垫板进行隔离；

2）钢基板与反变形模板之间要用虾弓码夹紧；

3）焊接的总顺序为先中间后两端，间隔一块筋板再焊接另外一块筋板。

其他蒸汽头板的焊接方法均采用上述焊接工艺尽量采用对称焊接、合理安排焊接顺序的方法，最大限度的减小焊接变形，同时也为矫直的环节节省人力物力，更优地保证了产品的质量。

4）焊焊缝层间温度不能大于60℃，即焊完第一道后，焊缝温度应低于60℃才能开始第二道焊缝的焊接（时间间隔大约为10分钟）。

5）完成后，待焊缝冷却至常温后方将钢板拆卸下来，然后使用700T油压机对局部的焊接变形进行校平。

四、结束语

蒸汽头板的焊接加工，其焊接变形在所难免，但是只要采取合理的焊接程序及其他控制变形的技术措施，还是可以有效控制，不仅焊缝外观优良，构件也美观，保证整个工程不锈钢设备的质量达标，也保证了工厂的安全与高效生产。在该项目的所有蒸发器蒸汽头板焊接均采取了以上控制变形的技术措施，变形均控制在规范范围内，取得了良好的效果，同时该方法，也得到了外方驻厂监造师的肯定。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。